【ARMv8/v9 异常模型入门及渐进 10 -- WFI 与 WFE 使用详细介绍 1】

请阅读【ARMv8/v9 ARM64 System Exception】

文章目录

- [WFI 与 WFE](#WFI 与 WFE)
- - 等待事件（WFE）
  - 发送事件（SEV）
  - 本地发送事件（SEVL）
  - [WFE 唤醒事件](#WFE 唤醒事件)
- [WFE 使用场景举例与代码实现](#WFE 使用场景举例与代码实现)
- - wfe睡眠函数
  - [sev 事件唤醒函数](#sev 事件唤醒函数)
  - 全局监视器和自旋锁

WFI 与 WFE

ARMv8架构提供了几个与事件相关的指令，包括等待事件（WFE）、发送事件（SEV）和本地发送事件（SEVL），这些指令有助于减少因处理器元素（PE，Processor Element）反复尝试获取自旋锁（spin-lock）而导致的功耗和总线竞争。这些指令在应用层面上是可用的，但要完全理解它们的行为，需要系统级别的异常处理知识。下面详细介绍这三个指令的功能及其对系统性能优化的影响。

等待事件（WFE）

WFE指令使得一个处理器元素可以进入低功耗状态，直到发生以下情况之一：

发生了一个异常。
接收到一个事件信号。
如果存在外部中断，处理器也可能被唤醒，即使这个中断最终被处理器的状态所屏蔽。

WFE指令通常用于自旋锁等待循环中，允许处理器在等待锁释放的时候降低功耗。

发送事件（SEV）

SEV指令用于在同一系统中的一个或多个处理器元素之间发送事件信号。当一个处理器执行SEV指令时，它将触发系统中所有正在执行WFE指令等待事件的处理器元素退出等待状态。在自旋锁释放后使用SEV指令可以唤醒等待该锁的其他处理器元素，这有助于减少等待时间和功耗。

关于spin_lock与独占访问的关系推荐阅读 ：
【ARM AMBA AXI 入门 7 - AXI 协议中的独占访问使用背景介绍】
【ARM AMBA AXI 入门 6 - AXI3 协议中的锁定访问之AxLOCK信号】

本地发送事件（SEVL）

SEVL指令与SEV类似，但它只确保发出事件信号的处理器元素本身在下一次执行WFE指令时立即返回，而不进入等待状态。这有助于优化特定的同步模式，其中处理器元素可能需要在检查某个条件后立即继续执行，而不是等待。

WFE 唤醒事件

WFE（Wait For Event）指令让处理器进入等待状态，直到发生特定的唤醒事件（Wake-up Events）。这些事件可以来自多种不同的源，以下介绍了在AArch64状态下可以触发WFE指令唤醒处理器的事件：

执行SEV指令 ：在多处理器系统中，任何处理器元素（PE）执行SEV（Send Event）指令都可以作为一个唤醒事件。SEV指令用于在PE之间发送全局事件信号。
物理SError中断、IRQ中断或FIQ中断：如果PE收到物理SError中断、IRQ（Interrupt Request）中断或FIQ（Fast Interrupt Request）中断，并且该中断没有被EDSCR.INTDIS（一个调试寄存器的一部分，用于禁用中断）禁用，那么这个中断会作为一个唤醒事件。
异步外部调试请求：如果允许暂停执行（Halting），那么一个异步外部调试请求也可以作为一个唤醒事件。这种情况通常与调试过程有关。
由处理器元素的定时器事件流发送的事件：处理器元素的定时器可以配置为在特定时间点发送事件，这些事件也能唤醒处于WFE等待状态的PE。
全局监视器清除造成的事件：当PE的全局监视器从独占访问状态变为开放访问状态时，会生成一个事件，这也可以唤醒等待的PE。
由某些实现定义机制发送的事件：特定的硬件实现可能提供了其他机制来生成唤醒事件，这些机制依赖于具体的硬件设计和配置。
实现FEAT_WFXT特性时的本地超时事件 ：当实现了FEAT_WFXT特性，并且使用WFET指令时，如果虚拟计数器阈值（在CNTVCT_EL0寄存器中表示）被等于或超过，就会产生本地超时事件作为唤醒事件。

WFE 使用场景举例与代码实现

这里以多核系统中主核 core0 启动后去唤醒处于睡眠状态的从核 core1 为例并测试。

首先使用汇编代码实现 sev和wfe 的调用函数：

wfe睡眠函数

c 复制代码

func enter_wfe
    wfe
    ret
endfunc enter_wfe

sev 事件唤醒函数

c 复制代码

func arm_sev
    sev
    ret
endfunc arm_sev

从核启动函数(截取部分)

c 复制代码

    ...
    log_debug("\rcore%d run wfe then goto sleep\n", coreid_get());
    enter_wfe ();
    log_debug("\rcore%d wakeup from wfe\n", coreid_get());
    enter_wfe ();

场景是主核core0先启动，然后使用命令手动去启动从核core1, core1 启动后后面执行到 enter_wfe 之后就会睡眠，
然后主核执行 sev 指令来唤醒从核，然后从核醒后执行一句打印，然后再去执行 enter_wfe 继续睡眠。

全局监视器和自旋锁

ARMv8架构中引入了全局监视器的概念，当处理器元素（PE）的全局监视器从独占访问状态变为开放访问状态时，会自动生成一个事件。这相当于在PE上执行了SEVL指令。因此，当一个PE释放自旋锁时，不再需要在代码中显式包含SEV指令来唤醒等待锁的其他PE，系统会自动生成相应的事件，

这简化了编程模型并有助于提高效率。这种机制特别适用于多核处理器环境中的同步问题，可以减少因PE反复尝试获取自旋锁而导致的功耗和总线竞争，进而提升系统性能和能效。